2020年, 第18卷, 第6期　刊出日期：2020-11-30

  

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微型电网、智能电网中的电力电子技术
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  微网运行控制、建模与仿真专辑主编评述

  茆美琴

  电源学报. 2020, 18(6): 1-4. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2020.6.1

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  微网技术自20世纪末期被提出，特别是近十年来经国内外广泛深入的研究、开发与技术示范，得到了快速的发展。微网特别是多能源微网，在未来能源互联网中将扮演着“有机细胞”作用，因而会受到学术及工业界的持续关注。基于自适应协调控制、建模与稳定性分析、故障分析与保护等微网技术最新研究进展，《电源学报》特别推出《微网运行控制、建模与仿真》专辑，以探讨微网运行控制技术和建模与仿真技术难点和热点，推动微网技术的进一步深入研究。
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  基于数据驱动的孤岛微网自适应调频策略

  胡苏南,施永,王新颖

  电源学报. 2020, 18(6): 5-11. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2020.6.5

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  微电网孤岛运行时，基于下垂控制的并联逆变器无法消除频率的静态偏差，必须借助二次调频来稳定频率值。在进行二次频率控制器参数设计时需要用到微网频率响应模型，然而由于微网系统的结构复杂多变以及系统内微源和负荷种类多样等原因，微网系统的数学模型难以获取，控制器参数也因此难以整定。为解决上述问题，提出一种基于数据驱动的改进无模型自适应控制的二次调频策略，该控制算法仅需要采样关键节点处的输入输出数据，利用RBF神经网络的自适应和自学习能力并按照一定的控制周期在线整定二次调频系统的无模型自适应控制器参数，从而将频率稳定在基准值。仿真结果验证了所提策略有很好的瞬态响应特性，同时具有较强的鲁棒性。
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  直流船舶综合电力系统中混合储能的精确功率分配策略研究

  施天灵,汪飞,张圣祺,张笠君,刘何毓

  电源学报. 2020, 18(6): 12-19. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2020.6.12

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  直流船舶综合电力系统是未来船舶的重要发展趋势，可实现全船能源的集中控制和管理。确保船载直流微电网中各分布式电源间的精确功率分配以及母线电压稳定是维持系统安全、经济运行的先决条件。因此，提出一种基于二次规划算法的精确功率分配方法，该方法充分考虑混合储能系统中不同储能介质的额定容量、荷电状态、爬坡速率以及充放电效率的差异，旨在保证系统稳定性的前提下，实现调压成本最小化。具体而言，其通过直流母线电压波动值确定目标功率，采用二次规划算法将目标功率值在混合储能间进行合理分配，从而以最小成本维持母线电压在允许范围内。最后，通过两个实时仿真研究案例验证了所提控制方法的有效性。
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  含多光储VSG单元孤岛微网参数自适应功率协调与频率优化控制

  茆美琴,丁勇,胡健,张榴晨

  电源学报. 2020, 18(6): 20-32. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2020.6.20

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  虚拟同步发电机VSG（virtual synchronous generator）技术因能增加惯性、改善系统稳定性而在分布式发电和微网等领域愈发受到关注。但VSG逆变器并联运行时，通常忽略直流侧分布式电源特性，且参数大多固定不变，不能保证最大限度利用可再生能源，且系统频率动态响应较差。针对这一问题，提出了适用于含多光储VSG单元孤岛微网的参数自适应功率协调与频率优化控制策略。综合考虑系统负荷需求、光伏单元出力情况以及系统频率变化，自适应调节转动惯量、阻尼系数和虚拟电感等参数，确保系统各单元间功率有效分配，避免了光伏利用不充分、逆变器过载及系统交直流侧功率变动引起的频率骤变等不良影响，系统频率动态调节特性也可改善。最后，基于RT-LAB搭建了含3组光储VSG单元的孤岛微网实时仿真平台，对多工况下仿真结果进行分析与对比，验证了所述控制方法的正确性及有效性。
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  基于瞬时功率均分的中频逆变器主从并联控制系统研究

  刘芳,周建建,檀贵友,刘世权,吴梓群

  电源学报. 2020, 18(6): 33-41. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2020.6.33

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  为了满足中频交流供电电源大容量、高可靠性的需求，提出了一种基于瞬时功率均分的逆变器并联主从控制方案。首先，基于三相T型三电平中频并联拓扑搭建单机大容量中频逆变器，采用改进型LCL拓扑抑制系统高频环流、共模电压，并提出瞬时功率均分主从控制策略，实时均分主/从机有功、无功功率减小系统环流；其次，分析并建立了一套完整、可靠的通信系统，以实现功率信息和载波同步信号的稳定、快速传输从而实现主从并联控制；最后，通过Matlab/Simulink对所提方案进行了仿真分析，并搭建125 kW双机并联实验平台，验证该控制系统的可行性。
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  考虑频率耦合效应的虚拟同步发电机序阻抗建模

  杜燕,赵韩广,杨向真,蒋伟,苏建徽

  电源学报. 2020, 18(6): 42-49. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2020.6.42

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  中低压配电网的线路阻抗呈现时变特征，使得基于虚拟同步发电机VSG（virtual synchronous generator）算法的分布式发电单元和电网阻抗产生交互作用，出现系统失稳。阻抗模型是一种基于外特性的建模方法，是研究分布式发电系统稳定性的有效手段之一。考虑到VSG系统存在着频率耦合特性，首先阐述了VSG系统的频率耦合原因，采用谐波线性化的方法建立包含功率外环和频率耦合效应的完整VSG序阻抗模型。再从阻抗测量和并网交互两个角度分析了频率耦合效应对VSG输出阻抗特性的影响。仿真结果验证了模型的准确性和适应性，表明所建立的阻抗模型能准确反映VSG的二倍频频率耦合特征。
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  基于变压器双电容模型的光伏全桥LLC变换器共模干扰建模分析

  金陵,苏建徽,赖纪东,于翔,尹浩,马昆

  电源学报. 2020, 18(6): 50-58. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2020.6.50

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  LLC变换器因其在全负载范围内可实现软开关，在变换器效率及功率密度等方面优势明显，因而在以光伏发电形式为主的直流微网中得到了广泛的应用。随着碳化硅等第三代半导体器件的渐渐普及，LLC变换器的工作频率越来越高，其高频变压器寄生电容对变换器共模干扰的影响愈发明显。现有针对变压器寄生电容的简化建模主要基于变压器内部绕组结构，使得集总电容模型的解析式较为复杂，不利于工程应用。为此，基于独立电压变量个数推导出一种适用于全桥LLC变换器共模干扰建模的变压器双电容模型，得到了简洁易用的解析计算表达式，且该模型可适配不同结构变压器，具有普适性。在推导的双电容模型的基础上建立了全桥LLC变换器共模传导干扰模型，通过Matlab/Simulink仿真验证了所提双电容模型和共模干扰模型的准确性。
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  含分布式光伏及储能变流器的微网故障特征与保护

  汪海宁,叶小凡,张长志,李浩然,张健

  电源学报. 2020, 18(6): 59-69. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2020.6.59

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  在并网时，微网中所含的分布式电源可能包括恒功率控制的光伏变流器或电流下垂控制的储能变流器，其中传统电流下垂控制的储能变流器在电网电压跌落时输出的较低的故障电流，以及可能会出现的功角失稳现象都为其故障保护带来了困难。基于滞环控制的改进电流下垂控制可以使其在电网故障时保持功角稳定，同时具备低压穿越能力，给故障电流带来新的特征，有利于故障检测以及保护判据的配置。考虑变流器的低压穿越特性，分析了含分布式光伏及储能变流器的微网内部不同位置发生故障时的电流特征，利用正序电流故障分量与母线正序电压故障分量的相位差来判断故障方向，并提出基于EtherCAT工业以太网的集中式保护方案。最后，通过仿真与实验验证了所提方案的可行性。
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  高渗透率光伏发电的直流微电网故障穿越控制策略研究

  冀婉玉,董玮,张军军

  电源学报. 2020, 18(6): 70-76. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2020.6.70

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  为使直流微电网具备一定的故障穿越能力，考虑增强系统对直流母线电压的调节能力，提出了基于电池储能的故障穿越方案。引入基于非线性扰动观测的前馈项，设计了基于储能单元改进下垂控制的直流微电网故障穿越控制策略。这种控制策略可以有效抑制直流母线电压波动，缩短电压调节时间，使直流母线电压保持在安全运行范围内，从而实现直流微电网在直流支路短路故障下的故障穿越。最后在Simulink中搭建有高渗透率光伏发电的直流微电网仿真模型，对所提方案和所设计的故障穿越控制策略进行验证。
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  直流微电网独立与并网模式无缝切换控制策略

  薛慧杰,朱天璋,田启川

  电源学报. 2020, 18(6): 77-85. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2020.6.77

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  独立与并网工作模式无缝切换是直流微电网的重要研究问题。为了解决这一问题，提出了一种基于大电网电压检测和储能双向DC/DC变换器多控制环调度的切换策略，该策略根据同步参考坐标系-锁相环SRF-PLL（synchronous reference frame-phase locked loop）检测的交流电压对DC/DC控制环路进行调度，在不同的运行状态下启动不同的控制环路，调整储能双向DC/DC变换器的功率流向与控制对象，实现微电网运行模式的无缝切换。在建立SRF-PLL和双向DC/DC变换器的s域小信号模型并设计不同控制环路补偿器的基础上，搭建了直流微电网的仿真平台，实现了所提出的无缝切换控制策略。在搭建的仿真平台上，对储能双向变换器不同能量流向条件下的模式切换进行了研究。仿真结果表明，所提控制策略具有良好的稳态和暂态性能，可以满足直流微电网独立与并网模式无缝切换的控制要求。
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  适用于微网并网控制技术的改进型EPLL算法研究

  曾君,岑德海,陈润,刘俊峰

  电源学报. 2020, 18(6): 86-93. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2020.6.86

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  快速准确的锁相环技术是保证并网系统安全、可靠并网的关键。针对传统EPLL的固有缺陷，设计了一种改进型EPLL算法，适用于以分布式电源为主的微网并网控制技术。首先，推导出输出电压频率和输入电压幅值之间的耦合关系，使用数学公式进行近似解耦。其次，搭建误差信号的成本函数，利用梯度下降法设计直流偏移量的估算环路，通过闭环负反馈回路消去输入信号中的直流偏置。然后，在锁相算法的所有估算环路中引入滑动平均值滤波器MAF（moving average filter），以增强控制系统的高频谐波抗干扰能力。最后，在Matlab/Simulink软件中搭建了单相锁相环算法的仿真模型，进行对比分析。仿真结果验证了所提算法的正确性和可行性。
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  RoCoF下垂控制的直驱式风电系统惯量特性分析

  刘毅力,李丁,李明贤,张东辉,查雨欣

  电源学报. 2020, 18(6): 94-104. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2020.6.94

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  微电网作为新能源消纳的有效方式受到了广泛关注。相比于传统电力系统，由电力电子装置主导的微电网系统，在外界扰动时更容易引起电网频率偏差和频率变化率RoCoF（rate of change of frequency）过大。为此，首先提出了一种基于LPF的RoCoF下垂控制策略，通过耦合RoCoF和母线电容电压，使得在扰动产生时快速释放电容能量来补偿系统不平衡功率，从而提高频率响应的执行速度，能够有效改善RoCoF暂态过程的稳定性。其次，类比传统同步机在机电时间尺度下的动态分析理论，建立了风电系统在直流电压时间尺度DVT（DC-voltage timescale）下的动态模型，基于经典的电气转矩分析方法，揭示了所提模型控制环节对风电系统惯性的影响规律。然后，在同等电容裕量下对不同控制策略进行了对比，结果表明：电容能量释放的快慢，能够直接影响RoCoF的抑制效果，且随着下垂系数K_h的增加和LPF截止频率ω_c的减少，网侧逆变器的有功响应速度相应增加。最后，通过实验验证了所提控制方法的有效性和分析结论的正确性。
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  基于动态矩阵控制的双有源桥DC-DC变换器电流应力优化策略

  杨向真,陈曦,杜燕,孔令浩

  电源学报. 2020, 18(6): 105-114. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2020.6.105

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  为了提高拓展移相控制的双有源桥DAB（dual active bridge）DC-DC变换器的电压动态响应性能，降低系统的电流应力，利用使电流应力最小的优化相移比与输出电压之间的关系，提出了一种将电压动态矩阵控制DMC（dynamic matrix control）算法与变换器电流应力优化方法相结合的控制算法，并从预测模型、滚动优化和反馈校正3个环节详细介绍了DAB的DMC电压预测控制的具体实现过程。最后，将所提控制方法与电压闭环PI控制的拓展移相电流应力优化算法进行了仿真比较。仿真结果表明：该方法不仅减小了电流应力，而且在变换器启动阶段、输入电压突变和负载突变时大大改善了变换器的电压动态响应性能。
多电平、新颖PWM控制
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  基于调制函数模型预测直接功率控制的单相PWM整流器

  郑征,张娟娟,陶慧

  电源学报. 2020, 18(6): 115-122. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2020.6.115

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  有限集模型预测直接功率控制FCS-MP-DPC（finite control set-model predictive-direct power control）算法是利用系统模型来预测下一周期的有功无功功率，通过迭代寻优得到使给定功率与实际功率之间误差最小的电压矢量进行控制，它存在着在线计算量大、开关不固定和谐波畸变率高等问题。基于此，提出一种基于调制函数的MP-DPC算法，该算法是利用整流器输入端电压面积等效的原则，引入调制函数，再根据功率误差最小的评价函数选择最优调制函数，然后结合PWM模块将调制函数转换成开关状态进行控制。与FCS-MP-DPC算法相比，提出的MP-DPC算法有效降低了FCS-MP-DPC逐个迭代寻优的计算量，同时固定了开关频率，降低了电流谐波畸变。最后Matlab/Simulink仿真和半实物实验验证了该算法的正确性。
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  基于AFE变换器的改进模型预测控制策略

  陈经国,刘怡

  电源学报. 2020, 18(6): 123-128. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2020.6.123

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  针对有源前端AFE（active front-end）变换器电流环采用的有限控制集模型预测控制算法FCS-MPC（finite control set model predictive control），存在数字控制器计算量大、输出的电流脉动大和系统性能差等问题，提出了一种改进模型预测控制策略。首先通过坐标变换构建α-β坐标下AFE变换器的预测模型；结合电压型空间矢量变换的原理，引入矢量扇区判断法，减少最优电压矢量选择的次数；最后根据选出来的电压矢量，在1个控制周期内同时施加有效电压矢量和零电压矢量，并分配相应的作用时间。该方法不但保留了传统MPC算法的快速动态响应特性，而且改善了系统的稳态性能。仿真和实验结果均验证了所提方法的正确性与有效性。
逆变器与UPS
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  基于图论的弹性电源的最优架构筛选算法

  陈纳,李海津,徐德鸿

  电源学报. 2020, 18(6): 129-138. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2020.6.129

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  弹性电源，也称为超级不间断电源Super UPS（super uninterruptable power supply），是传统UPS的一种发展。它具有以下特征：包含着多个源、储能元件与冗余的电力电子变换器。弹性电源需要兼顾可靠性、效率与经济性的需求。探讨了一种基于图论的自动推导最优系统架构的算法。该算法分为两部分：第1部分是架构生成算法，其功能是生成所有合法的架构；第2部分是对生成的合法架构进行成本、效率和可用度计算，并从中筛选出最优的系统架构。最后，以一个弹性电源的实际应用场合为例展示了算法的结果，并对此进行了分析。
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  半桥级联型三相多电平逆变器及其控制

  夏守行,朱飒飒

  电源学报. 2020, 18(6): 139-145. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2020.6.139

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  把传统级联型三相多电平逆变器的H全桥单元改为半桥单元，可减少一半的功率器件数和2个主电源。分别分析了倍压、等压电源供电情况下的正弦脉宽调制SPWM（sinusoidal pulse width modulation）控制方法以及调制结果。利用等能量和等电量方法，解出电源功率分配比和倒灌功率比。倍压电源供电逆变的倒灌功率，可通过增大电源电容量和PWM软件算法，使倒灌功率的影响减至很小。等压电源供电逆变，利用循环脉冲控制，可使除公用电源外的级联电源功率达到均衡。
模块化多电平变换器
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  精简矩阵变换器的能量双向流动控制策略

  孙向东,刘江,陈琳,任碧莹,马保慧

  电源学报. 2020, 18(6): 146-153. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2020.6.146

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  精简矩阵变换器RMC（reduced matrix converter）是一种新型的功率变换器，具有体积小、重量轻、转换级数少和可靠性高等特点，在电网与电动汽车互动等领域具有很好的应用前景。首先对精简矩阵变换器的拓扑结构进行了介绍，建立了数学模型；其次采用基于功率解耦的直接电流控制来实现能量双向流动，利用根轨迹法和Bode图对系统特性与稳定性进行分析，并对PI控制器进行设计；最后搭建RMC实验样机，实验结果验证了系统能够实现单位功率因数下的能量双向流动控制。
加热、电焊等特种电源
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  基于脉冲阻塞原理的六相连续型交-交变频电源

  李玉东,韩亚,李传伟,马星河

  电源学报. 2020, 18(6): 154-160. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2020.6.154

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  为充分体现交-交变频电源的优势，在传统交-交变频技术和脉冲阻塞原理的基础上，提出了一种基于脉冲阻塞原理的六相连续型交-交变频电源。该变频电源采用全控型功率器件，具有控制灵活、功率器件较少和成本较低等优点。通过对脉冲阻塞和变脉宽斩波控制策略的理论分析，推导出输出电压频率和幅值的相关表达式，实现了输出电压的变频调幅。最后，设计了以dSPACE为控制核心的六相连续型交-交变频电源的半实物仿真平台，分别在2种频率下完成相关实验。实验结果和理论分析一致，验证了基于脉冲阻塞原理的六相连续型交-交变频电源的正确性及可行性。
其他
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  无线电能传输中的高频阻抗匹配特性分析

  宋显锦,张超,徐小宇

  电源学报. 2020, 18(6): 161-167. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2020.6.161

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  磁谐振式无线电能传输技术是基于磁谐振耦合现象利用近区磁场进行非辐射性、中距离输电的新技术。阻抗匹配技术在无线电能传输中广泛使用，用以增加传输距离，提高传输效率，使负载获得最大功率。常规变压器适于在低频下作阻抗匹配，在高频时磁芯容易饱和发热，降低传输效率。使用传输线原理绕制的变压器通过线间电感和电容耦合传输能量，可用于高频传输，亦可在无线电能传输系统中使用。首先，分析了无线电能传输阻抗匹配原理；然后，分析了传输线原理绕制的变压器匹配特性；最后，使用高频变压器进行了无线电能传输的比较实验。实验结果表明，高频变压器可用于无线电能传输，匹配得当时，在增加传输距离的同时可保持较大传输效率和最大输出电压，是提高无线电能传输性能的一种可选方法。
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  家用电器无线电能传输技术发展及现状

  朱焕杰,张波

  电源学报. 2020, 18(6): 168-178. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2020.6.168

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  近年来，家用电器智能化受到广泛关注。相比有线供电，无线电能传输技术具有高安全性、高便利性等优点，在家用电器智能化发展中具有广阔的应用前景。对家用电器无线电能传输技术的发展及现状进行了梳理。首先介绍了无线家电的产品化及标准化进展，然后归纳了家用电器无线电能传输系统的特点，接着分别从耦合机构、拓扑设计、控制方法、异物检测等方面展现了家用电器无线电能传输技术研究现状，最后分析了家用电器无线电能传输技术的发展趋势和目前亟待解决的关键问题。
SiC、GaN器件、新型功率器件及其应用
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  压接式SiC MOSFET模块

  朱楠,陈敏,徐德鸿

  电源学报. 2020, 18(6): 179-191. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2020.6.179

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  介绍了一种适用于SiC MOSFET的压接式封装方法。针对SiC MOSFET芯片面积较小的特点，使用弹性压针实现SiC MOSFET芯片上表面的压力接触。由于散热器同时也是电流通路，为减小由散热器引入的寄生电感，采用了一种厚度较薄且具有良好散热性能的微通道散热器。介绍了研制的压接式SiC MOSFET样品，并通过仿真和实验评估了样品的电、热特性，验证了所提出封装方案的可行性。
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  大功率IGBT模块结温提取研究

  谷明月,刘金璐

  电源学报. 2020, 18(6): 192-198. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2020.6.192

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  为了提高大功率功率变换器的可靠性，需要对大功率绝缘栅双极型晶体管IGBT（insulated gate bipolar transistor）模块进行温度监测，到目前为止，对高压IGBT的研究较少。搭建了双脉冲实验平台，对4.5 kV、1.2 kA IGBT模块开关瞬态时的热敏感电参数进行了测量，并对每个参数是否适用于在线结温提取以及预期成本进行了讨论。结果表明，大多数参数除温度外还受负载电流和母线电压的影响，最合适的结温提取参数是准阈值电压和开通时集电极电流变化率，它们都可以通过IGBT的寄生电感来获取。
电池及充电技术
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  改进的WNN在蓄电池SOC估算中的应用

  谢思宇,王萍,王智爽

  电源学报. 2020, 18(6): 199-206. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2020.6.199

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  蓄电池的荷电状态SOC（state of charge）是影响电动汽车行驶安全的一项重要指标，针对此，提出一种改进的小波神经网络WNN（wavelet neural network）模型对SOC进行估算，根据历史实验数据，对影响电池SOC的相关参数采用主成分分析PCA（principal component analysis）处理，再用遗传算法GA（genetic algorithm）优化WNN模型的权值、阈值，进而对蓄电池进行SOC估算。结果表明，基于主成分分析与遗传算法优化后的WNN可更加精确地对电动汽车蓄电池进行SOC估算，且收敛性好。
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  基于支持向量回归的变电站蓄电池退化趋势预测

  刘斌,毕小熊,党军朋,刘祺,汪俊,舒征宇

  电源学报. 2020, 18(6): 207-214. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2020.6.207

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  蓄电池是变电站电源的重要组成部分，在变电站失电时可以为系统供电。但蓄电池容量的退化趋势难以预测，为保障备用电源的可靠性，通常会提前退运蓄电池，这造成了一定的经济损失和环境污染。鉴于此，提出一种计及浮充和均充影响的蓄电池退化趋势预测方法。采用集合经验模态分解法将随时序变化的蓄电池健康状态特征量进行模态分解，将分解结果作为输出，蓄电池浮充时长、均充次数等要素作为输入代入支持向量机，完成预测模型的训练，藉由预测模型完成各个分量的退化趋势预测，从而最终实现蓄电池容量退化趋势预测的目的。仿真实验结果表明，所提方法可有效预测蓄电池在使用计划内健康状态特征量的变化，为变电站直流系统的合理运维提供依据。